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2022年EIPC夏季研讨会全程报道:第1天

十月 08, 2022 | Pete Starkey, I-Connect007
2022年EIPC夏季研讨会全程报道:第1天

2022年6月14至15日,EIPC线下研讨会终于在瑞典Örebro市Scandic Grand酒店召开,这座城市“汇聚了历史与当代文化”,交通便利、地理环境优越,还便于参会者参观位于Kumla市的爱立信工厂。约有100位代表参加了此次研讨会。

 

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Alun Morgan

EIPC主席Alun Morgan向所有与会人员表示欢迎,并宣布EIPC在2022年吸纳了10家新会员。

Morgan素来以富有想象力著称,他在介绍超级计算机和人工智能领域的最新研发成果时,引用了Jorge Luis Borges的话。Borges在他的小说《Babel图书馆》中表示,人们很荒谬地想要了解万事万物,却意识不到这种想法只是徒劳。百万兆级运算技术可帮助人们识别出新型数据模式,数据分析方法的创新发展加速了科学发现的进程。但遗憾的是,正如英国幽默作家和讽刺作家Terry Pratchett说的那样,“每次人类的愚蠢都会打败人工智能”。

 

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Tarja Rapala-Virtanen

EIPC技术总监Tarja Rapala-Virtanen主持了开幕环节,带来了关于市场展望和商业新机遇的主题演讲。多年来,研讨会首场演讲由Custer Consulting公司汇报其分析报告,这已经成为了传统。今年,Walt正在享受他的退休生活,而他的儿子Jon Custer-Topai则接替他,给大家带来全面的行业最新动态。不过Jon没能亲自到场,他委托了Morgan做演讲。

总结了2022年第一季度的情况后,Custer表示年初的乐观情绪并没有持续太久,因为俄乌冲突导致本已脆弱的供应链变得更加不堪。对于半导体制造商而言,乌克兰供应全球50%的半导体级氖气,而美国三分之一的钯都是从俄国进口。随着原材料成本、材料运输成本和人工成本的不断攀升,整个供应链中的产品价格也在不断增高。铜价一直在走高,而燃料与能源的价格也在飞涨。世界银行对2022年实际经济增长率的预测显示,全球经济增长率为4.1%,美国为3.5%,欧元区为4.4%,中国为5.6%。

2021年,德国PCB的产量占到了整个欧洲的43%,产值达到7.09亿欧元。奥地利和瑞士的PCB产量占19.6%,意大利占11.7%,英国占8.5%。

Custer感谢了Michael Gasch所提供的数据。根据2022年前4个月的销售数据,Michael Gasch预测欧洲地区的潜在增长率介于7%~9%之间,德国、奥地利和瑞士的潜在增长率介于6%~7%。说德语的国家在汽车、医疗和工业电子产品领域表现强劲,而法国、比利时、西班牙和意大利这几个国家则主要在国防与航空领域有所建树。他预测欧洲地区的PCB销售总额会超过17.5亿欧元。

Gasch表示,俄乌冲突还在持续,COVID病毒还在不断变异,以及中国工厂的复工波动,所以人们应该警惕一些“糟糕的惊喜”。还有一些其他因素值得关注,包括中国港口中滞留的货轮逐步被疏散,以及美国和欧洲港口逐渐恢复正常运转,能否在需要集装箱的地方有集装箱可用,中国和其他亚洲国家生产的元件能否顺利交货,层压板和PCB生产所需材料能否如期送达,最后,受通货膨胀影响,消费者的购买力被削弱,消费者行为发生变化。情况较为复杂,最后得到的结果可能会全然不同。

 

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姜旭高博士

第2位发言人是Prismark Partners的管理合伙人姜旭高博士,他分享了对印制电路行业市场及技术的见解。在他看来,2022年会是非常微妙的一年,对PCB行业而言,这显然不是很好过的一年。

电子行业正处于由新冠肺炎大流行推动的历史性周期的后期,边缘正在形成裂缝。

回顾了2022年第一季度的表现后,他表示:“疫情给电子行业造成影响的历史周期已经进入了尾声,这种局面已经开始崩裂,没有什么事情是会永远持续。”目前的预测是行业将会适度增长,需要考虑的因素包括通货膨胀、高利率、美元升值、俄乌冲突以及中国的动态清零政策。

他将目前电子行业主要面临的挑战总结为:供应链上库存量高,消费能力降低导致购买需求减弱,通货膨胀率和利率维持在高位,刚挠板供应量过剩,地缘政治冲突导致能源成本持续攀升,疫情封控政策扰乱供应端的生产节奏和物流运转,人工短缺以及材料成本波动较大。

他认为工业、医疗业、汽车业、计算领域、通讯基础设施和其他消费类电子产品(尤其是可穿戴电子产品)领域将会是增长最强劲的领域。

载板市场还在持续增长,预计2022年增长约14%。更多非消费类应用中对HDI产品的需求将会增加,例如汽车、高性能计算机、高速网络连接和卫星通信领域,但低迷的智能手机市场也会让HDI增长放缓。基础设施中对低损耗多层板的需求会增加。汽车市场对强电流、耐热、高可靠性电路板的需求会增加,消费类应用和PC应用中刚性板的订单量会减少。

2022第一季度表现虽然不错,但这也只是因为2021年整体的强劲涨势延续到了2022年。数据表明,行业第二季度的表现会相对较弱。对于第三季度,目前行业一致认为库存是亟待解决的问题。受到商业竞争和供应过剩的影响,库存产品的价格会有所下降。也许第四季度会出现强劲回升?姜博士认为前景尚不明朗,很难给出准确的预判。

他提醒欧洲的PCB制造商应“多留意中国,其竞争力正在不断发展壮大,包括市场份额的扩大并持续提升技术生产能力”。

最后,他表示,经历过2021年的辉煌时刻,2022会是非常引人注目的一年,前面有许多挑战在等着我们。他提议行业应该采取的方式是在业务管理方面保持相对的稳定性,并且一次只瞄准两个难题,尽全力找到最佳解决方案。

 

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Stig Källman

研讨会第二部分会议仍然由Morgan主持,本环节探讨了技术发展蓝图以及相关的技术需求。

EIPC董事会成员、来自Ericsson Örebro公司的PCB元件工程师Stig Källman分享了他的看法,并针对如何设定PCB发展趋势以及6G PCB制造技术需求给出了宝贵的技术指南和实用建议。

他认为在生产能力匹配的前提下,用旧设备生产新设计是创造价值、实现盈利的最佳方式。Stig Källman强调了材料再利用和标准化的好处,并将标准化的构件比作乐高积木和集装箱。他提议人们使用性价比较高的板层堆叠方式和导通孔结构,通过了解制造变量来避免过度设计,实现制造拼板的高利用率。

他还讨论了推动PCB技术发展的因素:PCB中的走线、间距和导通孔尺寸越来越小,高速串行链路,低损耗材料,较大的供应电流和光学波导,以及热量管理。他还考虑到了制造对环境的影响,提到了能源效率,以及避免使用有害物质。

关于层压板,他表示:“食谱对了,才能做出好吃的饭菜。”而针对如何选择叠层结构,他表示:“不要给我们这么多选项!只需要告诉我们如何使用产量最高、容差最大、成本最低的标准结构就可以。”爱立信希望能逐步淘汰含卤阻燃剂,以具体问题具体分析为原则,根据可靠的参数做出决策,充分考虑对环境友好的替代性材料的可获取性。

为应对目前及今后PCB技术所带来的挑战,Källman的层压板意愿清单上列出的属性有:对于大阻抗、高频RF应用为低Dk(小于3)和低损耗,对于小阻抗、高频RF应用为高Dk(大于10)和低损耗,磁性电介质材料会根据RF应用的不同在电容率和磁导率之间实现平衡。他非常重视这一点,并且在无卤材料数据表中列出了这些材料的所有机械属性,以及不同树脂的数据,其中还包括所有的填充物,温度范围为-40~220℃。

随着6G技术的发展,未来的材料会朝着什么方向演变?在他看来,树脂的研发应该由OEM、材料供应商和PCB供应商三方通力协作完成。在定义和测量关键PCB设计的参数方面,他也同样认为整个过程需要设计师、制造商和层压板供应商协作完成,每一方的意见都同等重要。在引入新产品时,一定要确保PCB工厂能进行生产测试,并且在生产客户测试板前获得相应的制造指南。

 

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Robrecht Belis

比利时Elsyca公司的PCB相关业务及销售部总监Robrecht Belis推荐了一种用于优化裸板设计的“左移”法,以在研发周期内尽早发现问题并解决问题。

作为PCB电镀工艺仿真技术领域的专家,Robrecht Belis解释了为什么多物理场数字孪生方案可以优化成本、产品质量、上市时间和产能。

引用杰出设计师Rick Hartley的一句话,“不仅要在PCB工厂生产面板时实现铜平衡,还应该把这种做法的诸多益处教给每一位PCB设计师,让他们应用到PCB设计当中”。Belis展示了一些镀层厚度明显不均匀的设计案例,以及如何利用专用软件工具优化镀层厚度的分布。

他引用了一些证明,证实这款软件在设计阶段即可确定关键的区域,支持工程师在工厂车间里预测设计的不同设置和参数会对最终结果产生的影响,并预测能够提高新部件首通率的电镀参数。

 

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Stan Heltzel

欧洲航天局(European Space Agency,简称ESA)的材料工程师Stan Heltzel介绍了ESA为保证微导通孔可靠性所采用的方法。

他将PCB形容为航天飞行器的神经和静脉,并介绍了ESA的网站门户——欧洲空间元件信息交换系统,其中PCB部分(escies.org/pcb/)详细介绍了ESA认可的PCB制造商及资质认证情况、ESA对PCB技术的认证情况、ESA认可的PCB制造商、ECSS的PCB设计标准(ECSS-Q-ST-70-12c)、PCB的资格认证及采购标准(ECSS-Q-ST-70-60c),以及现行的ESA备忘录及检查表、已有的ESA备忘录,还有技术开发和研讨会论文。

在现有的ESA备忘录和检查表底部,是《ESA-TECMSP-TN-19672微导通孔工艺指南》,其介绍了整体的工艺概况,针对激光钻孔、预蚀刻和清洁、去钻污、微蚀、漂洗、化学镀铜和电镀铜、认证测试、批次一致性和工艺内验证等,给出了具体的工艺建议。

该文件还可用于工艺审查。该工艺指南在PCB专家和化学品供应商专家的共同指导下起草完成,并由PCB/SMT工作小组的PCB制造商审核通过。

Heltzel总结了推动技术发展的因素,包括电气性能、可制造性、可靠性,由设计、材料和工艺决定的产品可靠性,以及由生产能力和质量水平决定的可制造性。他将1969年问世的阿波罗制导系统计算机与现在人们使用的智能手机进行对比,后者的性能要比前者强大百万倍、质量要轻百倍、成本要低千倍。

他使用了一系列剖面图来介绍HDI的发展路径,讨论了应力强度分析中的置信区间、失效产品的使用周期和微导通孔的失效机制。ESA用于评估微通孔设计的方法是将设计与过去的产品进行对比,并使用热机械建模、测试样件和备用PCB来对生产工艺进行审核。他介绍了ESA针对PCB的制造准备审查(Manufacturing Readiness Reviews)程序,执行完程序后授权制造。同时,他也介绍了热机械建模的详情、微导通孔上产生应力的原因、微导通孔的质量认证以及一致性测试。

对于高可靠性行业的循环测试,已经开始使用标准化的测试面板,这将提供对生产能力和可靠性的可靠评估,确保HDI供应链的安全,验证多种测试方法。

通过总结已考虑所有关键特征的设计,并与通过认证的技术特性进行对比,再加上供应链互相评估后优化的制造工艺,得出结论——可以可靠地使用微通孔。通过测试、检测和质量认证、IoT一致性、制程内确认和生产能力评估,可以证明工艺流程的合规性。

 

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Martyn Gaudion

“不要再用电阻来混淆高速测量的数据了。”EIPC董事会成员、Polar Instruments公司CEO Martyn Gaudion说。他解释了为什么一定要在测量过程中避免使用分布式串联电阻。

他用50欧姆的同轴电缆做演示,不同长度电缆的标称阻抗值都相同,证明了他的观点。由阻抗控制的PCB走线实际上模拟了PCB中的同轴电缆,那为什么一些PCB制造商会错误地认为阻抗会随着长度的变化而变化呢?这是因为精细走线设计中,DC电阻会使阻抗测量变得不准确。

Gaudion用图像演示了分布式串联电阻和分布式并联电导产生的效果。分布式串联电阻会让阻抗值看起来像是随着长度变长而升高,必须避免产生这种效果才能准确测量阻抗值。否则,就会错误地推断出数据表中的介电常数是不准确的。

若想检验串联电阻是否对测量结果造成了影响,Gaudion提议使用电阻建模的方式来模拟电阻对TDR走线的影响,只需输入走线的几何图形和细线长度,就能得出TDR的波形预期效果。相反,若走线的宽度较大,电阻产生的影响则可以忽略不计。

但如果忽略了DC电阻对精细走线的影响,TDR读数会高于预期结果。这样一来,就可能会得出结论,认为数据表中Er的值是错误的,所以为了匹配阻抗值需要重新校正走线的几何图形。

Polar对于层压板供应商提供的Er测量结果的准确性感到很自信,他认为不再嵌入DC电阻可以在无需手动调整Er值的前提下提高结果的相关性。

 

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Alexander Ippich

研讨会第3部分会议的主题是新一代产品材料技术,主持人是EIPC财务主管Emma Hudson。

来自Isola德国分公司信号完整性与先进技术的技术总监Alexander Ippich介绍了PCB插入损耗性能的对比测试。

IPC-TM-650 2.5.5.12A中给出了测量插入损耗的4种常用方法:矢量网络分析仪(vector network analyzer,简称VEA)、IBM的短脉冲传播(short pulse propagation,简称SPP)、Intel的SET2DIL,以及Intel的Delta-L。Ippich总结了每种方法的具体详情,并表示目前没有标准化的测试结构或样件,并且PCB加工和叠层参数会对结果产生影响。

但为了进行有意义的对比测试,有必要决定一种测试方法和使用一致的样件,并且使PCB加工过程中可能出现的差异尽量保持在比较小的区间内(理想情况下是同一家PCB工厂并使用相同的工艺),创建出的叠层结构在介质厚度上接近匹配,具有相似的玻纤类型,使用相同的树脂和铜。

他给出了对比测试的实际案例,一是将Isola的一种低损耗层压板与另一种使用了相似材料的8层叠层结构的层压板进行对比,并且两种层压板的厚度和参数尽可能匹配。二是对比测试28GHz下单端带状线的损耗,绘制出了Isola生产的不同级别的无卤材料在精细走线宽度发生变化时每英寸dB值的变化。三是对比了RF/MW材料中表面微带线的插入损耗。

 

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Manfred Huschka

AGC集团RF业务部的副总裁Manfred Huschka博士介绍了毫米波PCB的支撑技术——具有高电气可靠性与机械可靠性的基材。

他首先详细阐述了载体间的通信系统,他认为某个领域的进步依赖于供应链其他领域的技术发展。

毫米波PCB使用的载板需要最低介电损耗和最低吸湿度,以及最佳铜插入损耗和最低铜箔表面粗糙度。

PTFE层压板的介电损耗是所有PCB层压板中最低的。Huschka展示了微带环形谐振器中专有陶瓷填充PTFE复合材料的Df、Dk与频率的关系图。在100GHz下,Df约为0.002,Dk约为2.96。最新研发的热固树脂层压板几乎可以达到这一数值。

频率越高,层压板的吸湿度会升高,插入损耗也会增加,而有效的Dk则会降低。吸湿度最低的层压板显然是性能最佳的。Huschka列出了3种基板的吸湿度数据:未填充的PTFE基板是0.03~0.03%,陶瓷填充的PTFE基板是0.05%~0.07%,PPE/PPO层压板是0.11%~0.19%。

关于铜的插入损耗和铜箔表面粗糙度,铜箔的处理轮廓越低,粘合过程中嵌入层压板表面的处理就越少,被蚀刻去除的区域也就越小。所以蚀刻药水侵蚀电路走线侧壁的时间就越短,走线侧壁就越陡峭,插入损耗就越好。Huschka绘制了超低轮廓且经过轧制退火、反向处理并具有低轮廓铜箔的低损耗覆铜层压板在不同频率下的介入损耗变化,以此来阐释他的观点。

最后,他总结了AGC研发的维度稳定性强且损耗低的层压板所具有的机械性能和热性能。

 

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Andreas Folge

本场会议的下一位发言人是Nan Ya Plastics Corporation公司欧洲地区5G OEM营销部的Andreas Folge,他的演讲以5G实例为基础,讨论了高科技要求下的层压板。

他介绍了5G代表的第五代移动互联网络,是第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project,简称3GPP)在2018年发明的全球无线标准。5G的3个主要应用类别分别是增强型移动宽带(Enhanced Mobile Broadband,简称eMBB)、大规模机器类通信(massive Machine Type Communication,简称mMTC)和超可靠低延迟通信(Ultra-Reliable Low Latency Communication,简称URLLC)。

虽然在短期内,大部分5G网络基础设施的部署将使用低于6 GHz的频率,但毫米波系统将在中期内增长,而更高频率的系统将需要更大的创新力度和材料开发力度。覆铜层压板的关键词有“低损耗”“超低损耗”和“高层数”。

那么要如何研发具有绝佳电气性能的材料?基本要求是使用具有对称结构的低极性树脂、低Dk玻纤和极低轮廓的铜箔。

他给出的不同树脂的Df与Dk曲线图,随着化学品在环氧树脂和PTFE两种极端之间的转换,先后经历了聚酰亚胺、氰酸酯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚丁二烯和聚苯醚阶段,发展趋势为运行速度更快、信号损耗更低。

他还证明了标准编织的玻纤和开玻纤之间的差别,后者的Dk分布更加均匀,抗CAF性能也更佳。而标准电子玻纤在10 GHz时的Dk为6.5~7.2、Df为0.006~0.008,低Dk玻纤的Dk为4.6~5.0、Df为0.003~0.004。

他还展示了如何通过改善铜箔表面轮廓、微观结构和阻挡层设计来提高信号传输速度、减少电子散射,并优化插入损耗、热性能和抗氧化性。

Nan Ya公司的优势在于通过完整的上游垂直整合,能够在公司内部生产所有的覆铜层压板原材料,而且5G技术推动了毫米波应用的新型层压板的研发速度,并针对多板层技术、汽车、HDI和IC载板技术拓宽了材料范围。Folge列出了Nan Ya的PTFE、聚苯醚、碳氢化合物、无卤和酚醛材料,其包括Df及Dk在内的通用属性。

行业还处于5G业务周期的早期阶段。2020至2021年期间,发展势头最强劲的领域是网络、云计算、数据中心、电竞和智能消费类电子产品。有线和无线基础设施设备成为推动市场转型的关键因素,随着人们对高速、高频和高热材料的需求在不断增加,特殊多层板和高端封装载板越来越多地成为关注的焦点。

5G技术提供了增长机会。Folge认为,全球范围内与5G相关的基础设施和设备需求将继续增加,在疫情推动下,远程工作、教学、学习和电竞、线上购物会成为新常态。数据中心、网络、PC、有线和无线基础设施、5G智能手机和便携式设备等细分市场依然表现出强劲的增长势头,欧洲5G基础设施全面实施后,汽车和工业应用也将紧随其后,发展强劲。

 

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Alan Cochrane

本场会议最后一位发言人是来自ITEQ Corporation公司北美分部的总裁Alan Cochrane,他介绍了一种减少损耗的新型高树脂含量结构。

Cochrane在一开始就对一个假设提出了质疑——芯材与半固化片的Dk和Df值真的一样吗?显然,由于树脂含量的不同,这两种材料的Dk及Df值实际上是不同的。当玻纤布和树脂之间的Dk/Df差异过大时,这种现象就更加明显了。如果芯材和半固化片的树脂含量不同,那么假设它们的Dk和Df值相同则会导致模拟结果失真。

他使用了以下方程进行计算:

Dk混合物=Dk树脂x树脂百分比+Dk玻璃x(1-树脂百分比)

以及

Dk混合=Df树脂x树脂百分比+Df玻璃x(1-树脂百分比)

得出芯材和半固化片的相应Dk与Df值,以此来说明同样厚度但树脂含量不同的芯材和半固化片,其Dk与Df值也是不同的。他用图说明了在10GHz下得出的结果。

他还展示了一些实例,是在1035、1086和1078玻璃型号上使用树脂含量高的超低损耗芯材,厚度参数是单层为3 mil和4 mil,双层8mil,树脂含量从68%到78%不等。这些材料还和标准树脂含量的12层叠层结构材料进行了实验损耗对比,同时也进行了一系列仿真实验。

实验结果表明,树脂含量高的叠层,特别是能够在损耗性能保持不变的同时减少板厚度的情况下,可以降低串扰。电镀通孔的厚径比也有所降低,提高了钻孔和电镀良率。如果用1盎司铜替代半盎司铜,可以改善损耗性能。

在繁忙的研讨会演讲结束后,第一天的最后一项安排是参观位于Kumla市的爱立信移动通信总部,随后我们又回到Orebro市,参加了在Frimis Salonger饭店举办的联谊晚宴,整个晚宴过程令人非常开心。

 

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特别鸣谢Alun Morgan提供的现场照片。

 

Pete Starkey任I-Connect007杂志技术编辑。

 

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